По многим уважительным причинам тестирование на животных в течение долгого времени было чрезвычайно спорным. С одной стороны, это связано с этической сомнительностью самих тестов, с другой стороны, многие научные исследования показали явные недостатки в передаче результатов людям. Это приводит к серьезным побочным эффектам в клинических испытаниях на людях.
Конечно, желательны альтернативные технологии, которые могут предсказать сложные процессы, связанные с поглощением, распределением и воздействием лекарств или косметических средств на организм человека. Исследователи из Института материаловедения и лучевых технологий им. Фраунгофера разработали многообещающую альтернативу - микрофизиологические системы, с помощью которых органы и системы органов «реплицируются». По мнению института, сложные механизмы человеческого организма могут быть реально проанализированы.
Картинная галерея
Воссоздать биологические механизмы организма
Фрэнк Соннтаг из Fraunhofer IWS работает над одной из систем с 2010 года: «Микрофизиологические системы, разработанные здесь, представляют собой миниатюрные системы культивирования клеток размером с визитную карточку, которые имитируют фармакологически значимые функциональные механизмы человеческого организма. В дополнение к распределению веществ через сосудистую сеть это включает микрофизиологическую среду клеток организма и взаимодействия между различными типами клеток ». Цель состоит в том, чтобы моделировать биохимические и клеточные процессы органов человеческого тела. Это необходимо, объясняет Sonntag, чтобы заменить сложные фармацевтические тесты, которые в настоящее время проводятся в экспериментах на животных.
В частности, исследователи имитируют функцию органов или частей органов путем культивирования нескольких типов клеток человека в микрофизиологической системе. Как и в организме человека, разные типы клеток нуждаются в разных условиях для выполнения своих специфических функций. Задача разработчиков состоит в том, чтобы разработать индивидуальные микрофизиологические системы для различных органов на чипе и тем самым помочь уменьшить испытания на животных.
Миниатюрный насос как искусственное сердце
Нагревательные и охлаждающие элементы обеспечивают важные функции тела в системах, такие как постоянный контроль температуры при 37 ° C. Что особенного в этих системах, так это миниатюрный насос, созданный по образцу человеческого сердца. Управляемый специальным контроллером, он позволяет кровоподобной клеточной среде циркулировать в искусственной сосудистой сети, обеспечивая тем самым оптимальное снабжение клеток кислородом и питательными веществами. Исследователи рассчитывают размер сосудистой сети с использованием математических моделей.
3D сканер
Как 3D-сканеры можно использовать в медицине
Матиас Бусек в настоящее время пишет докторскую диссертацию в Fraunhofer IWS и разрабатывает потоковые модели микрофизологических систем. «Используя моделирование потока и транспорта питательных веществ в микрофлюидальной сосудистой сети, мы можем поставлять культивируемые клетки по мере необходимости и, таким образом, развивать органотипические функции», - объясняет докторант. «С сетевыми моделями эти вычисления могут быть выполнены быстро и надежно. Это делает их ценным инструментом для проектирования и оптимизации микрофизиологических систем ».
Воссоздать болезненные процессы без лабораторных мышей
Разработанные микрофизиологические системы используются партнерами в области исследований и промышленности. Область применения варьируется от отдельных структур органов в микрофизиологической системе до множества органов на «многоорганном чипе». В Университетской клинике в Дрездене Ян Срадник и Дебора Фёрстер совместно с Флорианом Шмидером из Fraunhofer IWS разработали микрофизиологическую модель почечных капилляров. Это означает, что важные процессы при заболеваниях почек можно моделировать без использования лабораторных мышей, а эксперименты на животных в фундаментальных исследованиях можно уменьшить. Исследователи в настоящее время разрабатывают полную клеточную модель почки.
Микрофизиологические системы для этого разработаны Флорианом Шмидером из Fraunhofer IWS. «Чтобы в будущем мы могли исследовать не только частичные процессы, но и всю почку в микрофизиологической системе, мы в настоящее время разрабатываем модель, которая имитирует все функциональные части почки на клеточном уровне», - объясняет ученый. Исследование заболеваний почек в настоящее время является наиболее важным приложением, но в будущем это станет еще более возможным: «Такие искусственные органы также могут быть использованы в качестве искусственной замены почки в будущем с использованием собственных клеток пациента. Это было бы реальной альтернативой диализу и донорским органам и значительно улучшило бы жизненную ситуацию многих пациентов ».
Сдвиг парадигмы к исследованиям без животных
Даже если системы уже помогают ответить на сложные биомедицинские вопросы, до того, как представление об искусственной почке и устойчивое переключение на исследования без экспериментов на животных станут реальностью, все равно потребуется обширная исследовательская работа. Правительство Нидерландов представило комплексный стратегический документ в декабре 2016 года, тем самым создав правовую, социальную и финансовую основу для разработки моделей замены животных к 2025 году. Исследователи Фраунгофера надеются, что такой всеобъемлющий сдвиг парадигмы скоро произойдет в Германии. Это единственный способ воплотить в жизнь такие идеи, как исследования без животных и производство искусственных органов. (КДж)